基于三維模型的輸電線路耦合故障定位

郝劍 霍敏 張景沛

摘要：由于輸電線路在輸送電過程中會翻越山區，產生的導線垂弧比較大，導線會受到風吹舞動或位置偏移，很容易引發輸電線路出現短路。輸電線路發生短路故障時，如果不采取相應的解決措施來消除故障，那么故障產生的電弧就很難自動熄滅，從而造成配電網停運的后果。由于配電網輸送電時的傳輸功率比較大，輸電線路發生故障會對整個輸電系統造成一定沖擊，因此為了確保輸電系統的可靠運行，必須及時發現故障產生的位置，便于盡快消除故障。對于輸電線路故障定位實驗，相關學者做了大量研究。

關鍵詞：三維模型;輸電線路;耦合故障定位

1 輸電線路多脈沖源耦合故障定位方法設計

1.1 識別輸電線路多脈沖源耦合故障

采用窗口三維掃描分析多脈沖源耦合故障信號，可以實現在局部范圍內故障信號的觀察，時頻域內的多脈沖源耦合故障窗口越小，說明故障信號的處理精度越高，因此通常在時頻域的相互制約下完成輸電線路多脈沖耦合故障的識別。

1.2 計算輸電線路多脈沖源的去耦合

輸電線路多脈沖源在傳播過程中會產生電磁耦合，耦合行波分為線路傳播和大地傳播，每一相輸電線路中多脈沖源的波動方程都不是單獨的，為了實現對多脈沖源某一獨立分量的分析，提高故障定位的精度，需要對輸電線路多脈沖源的耦合故障進行去耦合計算。

從頻域方面來講，由于輸電線路多脈沖源耦合的存在，輸電線路的波動方程不再是獨立的，需要通過三維掃描模型將多脈沖源耦合故障分解成獨立的分量。將系數矩陣進行特征向量的求解計算，實現系數矩陣的對角化。

1.3 輸電線路多脈沖源耦合故障的定位

采用三維掃描模型分析多脈沖源耦合故障的定位流程，可以提高故障的定位精度。基于以上輸電線路多脈沖源的去耦合計算，確定了輸電線路多脈沖源耦合故障定位流程的核心思想是：在輸電線路某一個節點處識別到的多脈沖源耦合故障狀態，并不能判斷出是這一個節點自身發生的多脈沖源耦合故障，還可能是這一節點的耦合故障報警是由傳播能力大的節點通過耦合故障傳播導致的。因此采用三維掃描模型來實現輸電線路多脈沖源耦合故障的定位。

輸電線路多脈沖源耦合故障區域的劃分主要負責從故障識別中獲取多脈沖源耦合故障CF（Coupling Fault），具體步驟如下：

步驟 1：多脈沖源耦合故障集合初始化。

將識別到的耦合故障節點加入到故障集合中，從耦合故障集合中選擇一個節點進行反向搜索，確定識別到的耦合故障節點是否已經被搜索，如果沒有被搜索，則設置起始節點并標記;否則要重新選擇一個沒有被搜索的耦合故障節點。

步驟 2：搜索多脈沖源耦合故障傳播路徑。

通過三維掃描模型反向搜索可以得到該耦合故障節點的傳播路徑，搜索當前耦合故障節點存在傳播影響的節點，令耦合故障節點為 R，判斷耦合故障節點是否被搜索，如果耦合故障節點沒有被搜索，則把該耦合故障節點加入到傳播路徑集合中并記錄，將已經被搜索的耦合故障節點標記成已搜索。

步驟 3：判斷耦合故障節點是否滿足回溯條件。

重復步驟 2，直到耦合故障節點不存在傳播趨勢，如果耦合故障節點已經被搜索，說明存在故障影響的耦合故障節點已被搜索，如果沒被搜索，則搜索出其他故障傳播路徑對應的耦合故障節。如果所有的傳播路徑和耦合故障節點都被標記為已搜索，那么就回溯到上一個耦合故障節點。

步驟 4：判斷是否結束當前搜索。

重復步驟 3操作，直到回溯到初始化節點，判斷周圍耦合故障節點是否有搜索標記。

步驟 5：判斷是否結束耦合故障劃分。

判斷耦合故障節點是否全部被搜索過，如果沒有則返回步驟 2;如果確定被搜索，將所有耦合故障節點的傳播路徑都存入耦合故障 CF（CouplingFault）中，完成耦合故障區域劃分。

步驟 6：判斷耦合故障區域大小。

步驟 7：預測耦合故障傳播路徑。

步驟 8：輸出結果。

在所有耦合故障集合中搜索出預想耦合故障源節點并記錄傳播路徑，完成多脈沖源耦合故障的定位，輸出故障定位結果。

綜上所述，采用三維掃描模型實現多脈沖源耦合故障信號在時域和頻域之間的切換，通過分割多脈沖源耦合故障的時間尺度，將多脈沖源耦合故障信號分解，利用耦合故障信號受到時頻域的相互制約作用，完成輸電線路多脈沖耦合故障的識別;由于輸電線路多脈沖源在傳播過程中會產生電磁耦合，采用三維掃描模型來分析多脈沖源的某一獨立分量，利用輸電線路多脈沖源系數矩陣對角化處理方程，得到了輸電線路多脈沖源耦合故障的波動方程，完成了輸電線路多脈沖源的去耦合計算;昀后通過輸電線路多脈沖源耦合故障定位流程的分析，實現了基于三維掃描模型的輸電線路多脈沖源耦合故障的定位。

2 實驗對比分析

為了提高多脈沖源耦合故障的定位精度和效果，設置實驗，實驗采用包含發射機、接收機以及傳感器等在內的多種設備來完成。

故障定位實驗主要驗證定位方法獲取的故障位置信息與實際故障位置之間的誤差，縮小定位誤差即提高故障定位精度。在實驗開始前在輸電線路中選擇同一位置的多脈沖源耦合故障，采用本文基于三維掃描模型的故障定位方法，來獲取多脈沖源耦合故障的位置信息。實驗的具體操作步驟如下：

步驟 1：選擇同一條輸電線路，確保多脈沖源故障與電源之間的距離為 2km，且輸電線路的電線不會被風吹動，避免電路短路。

步驟 2：將故障定位傳感器安裝在輸電線路中，排除環境因素對實驗結果的影響。

步驟 3：采用接線盤分別連接故障定位傳感器和發射機。

步驟 4：讓多脈沖源耦合故障源發出故障信號，接收機接收耦合故障定位信號。

步驟 5：將多脈沖源耦合故障定位數據整理并記錄，利用統計學原理完成數據的統計與分析。

3 結束語

由于輸電線路會在地理條件惡劣的環境下穿越，復雜的氣候條件容易使輸電線路發生斷線故障，而雷電的發生也增加了輸電線路短路故障發生的幾率。由此本文提出了基于三維掃描模型的輸電線路多脈沖源耦合故障定位。

參考文獻

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